（检测技术与自动化装置专业论文）风电场电能质量的监测系统.pdf

硕士学位论文 捅要 目前我国正大力发展风力发电事业来缓解能源供应紧张形势，风电场电能质量 监测技术成为风力发电领域中的研究热点。随着我国经济的大力发展，各种大型电 力设备应用于各个领域及日常生活，使得非线性负荷、冲击性负荷、时变负荷容量 不断增长，导致风电电能质量问题愈加突出。本文通过总结国内外的研究现状，提 出的一种有效的针对风电场电能质量的监测系统。 依据电能质量国家标准，本文详细阐述了电能质量问题的定义、分类，并总结 了各项电能质量指标的测量原理和计算、分析方法。 为了满足电能质量监测的实时性、高速性、连续性和高精度性等性能指标，本 文设计了一种基于a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 处理器和数字信号处理器( d s p ) 双 处理器( c p u ) 的风电场电能质量监测系统。首先，采用d s p 负责模拟信号的采集和处 理，并将电能质量分析数据发送给删；其次，通过a r m 负责通信和数据存储控 制整系统的运作，充分发挥高速数字信号处理器d s p 的信号处理能力和嵌入式处理 器a r m 的系统控制能力；最后，研究设计了模拟数据采集电路、数字信号处理器与 a r m 处理器之间的通信和存储器的扩展等硬件，设计了数字信号处理器和a r m 处 理器的程序流程，并完成了两者之间的通信，实现了数据采集、数据处理、小波消 噪等功能。此外，本文研究了基于快速傅里叶变换m 和小波变换进行电能质量分 析的算法，并通过仿真结果表明该设计方案的可行性以及算法的准确性。 关键词：风力发电、电能质量监测、a r m 处理器、数字信号处理器、小波变换、 快速傅里叶变换 风电场电能质量监测系统 a b s t r a c t w i n dp o w e ri sb e i n gd e v e l o p e dt oe a s et h ee n e r g ys u p p l ys i t u a t i o ni no u rc o u n t r y , w h i c hp r o m o t e st h em o n i t o r i n gt e c h n o l o g yo fw i n dp o w e rq u a l i t yt ob e c o m eah o t t o p i ci np o w e rs y s t e m w i t ht h ev i g o r o u sd e v e l o p m e n to fe c o n o m yi no u rc o u n t r y , a l l k i n d so fl a r g ep o w e re q u i p m e n ta r eu s e di nv a r i o u sf i e l d sa n de v e r y d a yl i f e ，w h i c h c a u s e sc o n t i n u o u sg r o w t ho fn o n l i n e a rl o a d ，i m p a c tl o a da n dt i m e - v a r y i n gl o a d c a p a c i t y t h i ss i t u a t i o nm a k e st h ep o w e rq u a l i t yp r o b l e m sm o r ep r o m i n e n t t h i s p a p e ri sar e s e a r c ho fp o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e mf o rw i n df a r mb a s e do nt h e s u m m a r ya n dd r a wo fs t u d yh o m ea n da b r o a d a c c o r d i n gt on a t i o n a ls t a n d a r d so fp o w e rq u a l i t y , n o to n l yt h ed e f i n i t i o na n d c l a s s i f i c a t i o no fp o w e rq u a l i t yp r o b l e mi so v e r v i e w e d ，b u ta l s ot h em e a s u r e m e n t p r i n c i p l ea n dc a l c u l a t i o nm e t h o da r es u m m a r i z e df o ra l lp o w e rq u a l i t yi n d i c a t o r s i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fr e a l t i m e ，h i g h s p e e d ，c o n t i n u i t ya n d a c c u r a c yi np o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n g , as y s t e mo fp o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gp r o g r a m i sp r e s e n t e di n t h i sp a p e rb a s e do na r ma n dd s ef i r s t ，u s i n gd s pa sad a t a p r o c e s s o rf o ra n a l o gs i g n a la c q u i s i t i o na n dd a t ap r o c e s s i n ga n ds e n d i n gp o w e rq u a l i t y a n a l y s i so fd a t at ot h ea r m s e c o n d , u s i n ga r mf o rc o m m u n i c a t i o n sa n dd a t a s t o r a g et oc o n t r o lt h eo p e r a t i o no ft h ee n t k es y s t e m ，w h i c hm a k ef u l lu s eo f h i g h s p e e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rd s pa n da r me m b e d d e dp r o c e s s o rs y s t e m a t l a s t ，a n a l o gd a t aa c q u i s i t i o nc i r c u i t ，c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ea r ma n dd s p , t h e e x p a n s i o no fm e m o r ya n do t h e rh a r d w a r ea r ed e s i g n e d ，a n dt h ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e nt h e mi sf i n i s h e d ，w h i c hh a st h ef u n c t i o n so fd a t aa c q u i s i t i o n ，d a t ap r o c e s s i n g a n dw a v e l e tn o i s ec a n c e l i n g b e s i d e s ，t h ea l g o r i t h i nf o rp o w e rq u a l i t ya n a l y s i si s s t u d i e db a s e do nf o u r i e rt r a n s f o r i l l ( f f t ) a n dw a v e l e tt r a n s f o i l n ，a n dt h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g na n da l g o r i t h ma c c u r a c y k e yw o r d s ： w i n dp o w e r 、p o w e rq u a l i t y 、a d v a n c e dr i s cm a c h i n e sp r o c e s s o r , d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g 、w a v e l e tt r a n s f o r m 、f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ( f f t ) n 硕十学位论文 插图索引 图2 1m a l l a t 分解算法图1 4 图3 1 系统总体设计图1 7 图3 2 数据采集设计。1 8 图3 3 二阶巴特沃斯低通滤波电路1 9 图3 4a d 7 6 5 8 接线图。1 9 图3 5 锁相环倍频原理图2 0 图3 6 倍频锁相环电路图2 0 图3 7a r m 和d s p 接口电路2 6 图3 8 存储器扩展电路2 7 图3 9r 册l 8 0 1 9 a s 和s 3 c 2 4 1 0 的接口电路2 8 图3 1 0d s p 和j t a g 的接线图2 9 图4 1d s p 主线程3 1 图4 2 数据采集程序流程图。3 2 图4 3d s p 初始化流程图3 3 图4 4a r m 主线程。3 4 图4 5a r m d s p 通讯线程3 5 图4 6 电能质量计算流程3 6 图4 7d s p 中算法设计流程图。3 7 图4 8 含有高次谐波和白噪声原始信号4 2 图4 9 小波消噪后的信号图。4 2 图4 1 0 电压短时下降的信号图。4 4 图4 1 1 电压短时下降小波分析图4 4 图4 1 2 电压短时上升信号图4 5 图4 1 3 电压短时上升小波分析图4 5 图4 1 4 电压短时中断信号图。4 6 图4 1 5 电压短时中断小波分析图4 6 图4 1 6 电压短时畸变信号图。4 7 图4 1 7 电压短时畸变小波分析图。4 7 图4 1 8 叠加暂态振荡信号图4 8 图4 1 9 叠加暂态振荡小波分析图。4 8 图4 2 0 叠加暂态脉冲信号图4 9 图4 2 1 叠加暂态脉冲小波分析图4 9 i h 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：辛镯净 日期：上b 。年月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：孪镭睁 导师签名：施芝 日期：2 d 卜年 日期劫勿年 月7日 月日 硕士学位论文 第一章绪论 本章简要介绍了国内外风力发电技术的发展状况以及风电场电能质量的研 究现状、电能质量概念与分类、电能质量监测的方法介绍。介绍了本文选题背景、 意义以及主要研究内容。 1 1引言 什么是电能质量? 这一研究领域的许多文献和报告中使用过的相关术语如下 电压质量即用实际电压与理想电压间的偏差位理解为广义偏差，即包含幅值，波 形、相位等等) ，反映供电企业向用户供给的电力是否合格。此定义虽然能包括大 多数电能质量问题，但不能( 或不宜) 将频率造成的质量问题包含在内，同时不含 用电( 电流) 对质量的影响。电流质量即对用户取用电流提出恒定频率、正弦波形 要求，并使电流波形与供电电压同相位，以保证系统以高功率因数运行这个定 义有助于电网电能质量的改善，并降低线损，但不能概括大多数因电压原因造成 的质量f 1 1 。 电能，除了具有其他工业产品的基本特征之外，由于其生产、输送与消耗全 过程独具特色，因此在引起电能质量问题的原因上、在劣质电能的影响与评价等 方面与一般产品的质量问题不同，具有以下显著特点： 1 )电网的电能质量始终处在动态变化中：电能从发电生产到用户消耗是一 个整体，电能量的流动始终处于动态平衡之中。并且随着电网结构的改变和负荷 的变化，不同时刻、不同公共连接点，电能质量现象和指标往往是不同的，也就 是说整个电力网的电能质量状态始终处在动态变化中。 2 )电力系统是一个整体，其电能质量状况相互影响：电能不易储存，其生 产、输送、分配和转换过程直至消耗几乎是同时进行的。很显然，在电力系统运 行过程中劣质电能是不可能更换的。电气连接将供用电双方构筑成一个整体，不 论哪个环节引起电能质量问题，都会对相关配电网络与设备以及电力用户的安全 运行构成威胁。许多情况下，电力系统中的某一实体往往表现为既是电能质量的 破坏者，同时也是劣质电能的受害者。 3 _ )电能质量扰动的潜在危害与广泛传播：虽然电产品的基本形式简单，但 其质量扰动的现象却是多种多样的，事故的诱发条件比较复杂，电能质量下降造 成的对系统和用电设备的损害有时并不立即显现，其危害与影响具有潜在性。另 一方面，由于电力线为扰动提供了最好的传导途径，且传播速度快，电气环境污 染波及面大，影响域广，其结果可能会大大降低与其相连接的其他系统或设备的 电气性能，甚至使设备遭到损坏，可见劣质电能的危害与影响具有快速传播性。 风电场电能质量监测系统 4 )有些情况下用户是保证电能质量的主体部分：当电网传输电能作用于用 电设备时，很有可能会受到来自于用户反作用的影响。因此，在某些质量问题的 起因上，电能质量的下降更多的是受到使用者的影响，而不在于电力生产者或供 应者。 5 )对电网的电能质量指标进行综合评估非常困难：一般而言，电力系统在 运行过程中电能质量的各项指标接近系统标称值，就可以认为电能是达到标准要 求的。但是当电能质量的多个指标共同作用在一个系统中时，其不同的组合结果 对电力系统运行的不利影响、对电气设备性能的降低甚至损坏都是十分复杂的问 题，加之不同电气设备在不同条件下对电压干扰的敏感度不同。因此如何给出综 合的技术与经济评价仍然是非常困难的，目前尚无一个准确的和普遍认可的定量 综合评估计算方法。 6 )改善电力系统电能质量是一项系统工程：从整个电力系统来讲，保证优 质电力生产和用户安全使用还要靠多方共同努力 2 1 。 1 2电能质量问题分类 风力发电系统中各种扰动引起的电能质量问题主要可分稳态和暂态两大类。 稳态电能质量问题以波形畸变为特征，主要包括谐波、波形下陷以及噪声等；暂态 电能质量问题通常是以频谱和暂态持续时间为特征，可分脉冲暂态和振荡暂态两 大类。电力系统中各种电能质量扰动的性质、特征指标、产生原因、后果以及解 决方法归纳于表1 1 3 1 。 类型扰动性质 特征指标产生原因后果解决方法 谐波稳态谐波频谱非线性负 设备过热、有源、无源 电压、电流载、固态开继电保护滤波 波形关负载误动、设备 绝缘破坏 三相不稳态不平衡因不对称负 设备过热、静止无功补 对称 载继电保护偿 误动、通信 干扰 电压闪稳态波动幅值、电弧炉、电伺服电机静止无功补 变 出现频率、机起动运行不正 倦 暇 调制频率常 谐振暂稳态波形、峰 线路、负载设备绝缘滤波器、隔 态值、持续时和电容器破坏、损坏离变压器、 间组的投切电力电子避雷器 设备 脉冲暂暂态上升时间、闪电电击设备绝缘避雷器 2 硕士学位论文 态峰值、持续线路、感性破 时间电路开合 瞬时电暂态幅值、持续远端发生设备停运、不问断电 压上升、时间、瞬时故障、电机敏感负载源、动态电 下降 值时间 起动不能正常压恢复器 运行 表1 1 各种电能质量类型 1 3 国内外风电产业发展现状 能源是经济和社会发展的重要物质基础而传统能源的大量消耗必然导致局域 性或全局性的空气污染因此，可再生能源得到迅速发展，其中尤其是风力发电具有 建设周期短，装机规模灵活的优点风力发电设备自世纪年代开始获得大规模应用， 目前国际风电设备制造企业已经初步形成了稳定的市场格局丹麦v e s t a l s 、西班牙 g a m e s a 、德国e m e r s o n 、美国g e 等世界知名的十大风机生产企业占据了全球大 部分的市场，风力发电设备的生产集中度越来越高1 4 。 1 8 9 1 年，丹麦人发明了世界上第一架用于发电的风车，随即便在偏远地区供 电。今天的风电机组已成为先进的现代高新技术，一台风电机组的功率比2 0 年前 要大2 0 0 倍，而其风轮的直径比一架大型喷气式客机的机翼还要长。现代风电场生 产出来的电量之大，相当于常规电场，并且可以在几个月的时间内建成。由于本 身的技术进步，以及各国政府的支持，风电已成为当今世界上发展最快的清洁能 源。并且有望成为未来主要的电力供应来源之一。在丹麦，风力发电可满足全国 1 8 电力需求的电能。丹麦政府还计划到2 0 3 0 年由风电供应5 0 的电力需求，丹 麦风电在电网中的贡献率居世界之首，而丹麦的风机技术和生产能力也是独占鳌 头，目前全球约有一半的风电机组来自丹麦。除了丹麦外，世界上风电发展成功 的国家还有德国、西班牙、美国和印度。德国的风力发电量居世界首位。西班牙 的乡村人烟稀少，而风电场却从大西洋崎岖的海岸到纳瓦拉( n a v a r r e ) 山脉，一直 到沐浴阳光的卡斯蒂利亚拉曼恰( c o s t i l l al a m a n c h a 怦原，西班牙因此而被称为南 欧的发电站。美国在经历了2 0 世纪9 0 年代的沉寂之后，又重新崛起为世界上最大 的风电市场之一。印度出于经济发展的需要，积极利用风能，成为发展中国家的 先锋。以风能资源丰富的欧洲为先导和主力，全球风力发电不断超越其预期的发 展速度。作为一项新兴的发电技术，目前风电相对于常规能源而言最大的弱势是 成本高，这也是风电最初不能为一部分人所接受的重要原因。而实际上，伴随着 风电机效率的提高和风电场建设规模的扩大，风力发电的成本正在不断下降；加 上各风电发展迅速的国家都曾在政策上给予风电鼓励和优惠，比如投资补贴、减 3 风电场电能质量监测系统 免税收、鼓励电价等，使得风电的上网电价进一步下降，如今一些国家的风电价 格已接近常规能源的电价。风力发电机组在开发和制造过程中经历了三个等级： 单机容量2 5 k w 、5 5 5 0 0 k w 、1 0 0 0 k w 和1 0 0 0 k w 以上。8 0 年代初在风电市场上销 售的第1 代风电机组，其转子直径为1 0 1 1 m ，单机发电容量只有2 2 - - 3 0 k w 。到 2 0 世纪9 0 年代中期，德国e m e r s o n 公司研制的e 一1 1 2 风电机组转子直径长达1 1 2 m ， 单机容量达到4 5 m w 。近年来世界风力发电发展迅速，风电装机容量平均每年以 高于2 0 的速度增长截止到2 0 0 2 年底，全世界风力发电装机容量约为3 1 1 2 8 g w 。 专家们预测，这标志着世界风电进入快速发展时期，世界风力发电机组装机容量 将以每年高于2 5 的速度递增，至u 2 0 1 0 年，全世界风力发电机组装机容量将突破 1 0 0 g w 。首届世界风能大会2 0 0 2 年4 月2 日至5 日在法国巴黎举行，这次会议是由 欧洲风能协会及美国风能协会共同主办的。欧洲风能协会分析指出：与其他地区 相比，欧洲的风能发电发展最快，欧洲风能发电的总功率达到1 7 万兆瓦，占全世 界风能发电能力的7 0 以上。近年来，风力发电技术在世界各国都取得了迅猛发 展，特别在注重环保的欧洲国家，对风力发电实施优惠政策，倍加鼓励，发展很 快，发展规划也不断修改，步伐加大。比如欧洲1 9 9 7 年重新制定的近期发展规划 比原来1 9 9 1 年的上调了一番。在欧洲过去十年间，风力发电机组总装机容量增加 了1 0 倍，风力发电成本下降了6 0 ，北欧一些国家的风电已占到总发电容量的 5 - - - ，1 0 。风力发电和水利发电一起有效地改善了这些国家的电力结构，减少了 大气污染，对保护我们共同的家园起到了重要的作用1 4 1 。 近年我国风力发电也非常迅速，从1 9 9 0 年到2 0 0 2 年，我国风力发电总装机容 量从2 m w 增加到4 4 4 m w ，增长了2 2 2 倍，平均年增长率6 7 ，单机容量也从引 进5 5 1 5 5 k w 发展到引进1 3 m w ，并且经过“七五一、“八五 和“九五 攻关， 研制生产了国产的5 5 、2 0 0 和6 0 0 k w 的风力发电机，步入了能生产大型风力发电机 的少数几个国家行列之中。其中兰州电机厂在大容量异步风电控制系统方面研发 领域，屡创国内第一，填补国内空白。2 0 0 6 年成功研制出1 5 m w 风力发电机，以 其运行平衡、体积小、重量轻、性能指标高，达到国外发达国家同类技术水平。 而目前国产机组在我国风电场中还未占有一席之地，因此实现设备国产化是降低 工程造价的关键。采取引进国外成熟技术、经过消化吸收逐步提高国产化程度， 实现大型风电机组主要部件在国内制造，就能做到成本比进口机组降低1 0 2 0 。国家科委安排了风电科技攻关项目，对引进的大型风电机组技术进行消化 吸收，为提高国产化率提供了科技支持。国家计委和国家经贸委决定采取向业主 提供补贴回贴息贷款的方式，建立使用国产机组的示范风电场，为风电制造企业 提供进行批量生产的机会，营造实现产业化的市场环境国内对大型风电技术的 各项研究还十分薄弱，只掌握了定桨距风机的制造技术，风机的大型化、变桨距 4 硕士学位论文 控制、主动失速控制、无齿轮箱风力机直驱发电机、变速恒频等先进风电技术还 远未解决，致使我国大型风机几乎全部为进口产品。 长期以来，我国的电力供应一直比较紧张，人们关注的焦点主要在电力供应 量方面，对电能质量关心不多，通常只对电压、频率两个指标进行考核。在我国 电力系统进行大规模的城网、农网改造之前，我国城网、农网网架十分薄弱，自 动化水平低，明显地影响到电力系统的供电可靠性。2 0 世纪9 0 年代后期，在经 过电网改造之后，电能质量明显得到提高，但是主要电能质量指标仍不能完全满 足国家标准的要求。3 5 k v 及以下的电压合格率，特别是用户最多的低压3 8 0 v 2 2 0 v 电网的电压合格率是最低的。据某电业局的统计，1 9 9 9 年3 8 0 v 2 2 0 v 的电压合格 率只有7 7 6 8 ；某电业局的3 5 k v 及以上专供用户，1 9 9 9 年的电压合格率也只有 8 9 5 5 。随着电力供应紧张局面的初步缓解，电能质量的日益恶化和用户对电能 质量要求的不断提高，这一问题也已引起了各级电力部门的高度重视。国家已颁 布了有关的技术标准，而电能质量仍主要由承担供电的电力企业来保证。目前电 力企业对电能质量的评估主要依据国家质量技术监督局颁布的系列标准，均针对 供电系统稳态性能方面的要求而制定。显然传统的电能质量的概念主要强调供电 系统稳态的特征，如电力企业常统计供电电压和频率的合格率百分数( 如9 9 9 9 ) 来说明供电对用户的可靠性，而不注重其动态的特征。因此目前电力企业对电能 质量的控制手段仍主要依赖于对供电电压的调整。在工业发达国家，电能质量问 题早己被当作电力系统面临的重要问题看待，各国均在加强有关电能质量问题的 研究，已得出不少理论成果并提出一系列综合监测控制和管理方法。国际上对电 能质量问题的研究，可以追溯到上世纪8 0 年代电磁兼容学科e m c 的兴起。该学 科对干扰的产生、传播、接受、抑制机理及相应的测量、计量技术进行深入的研 究，根据经济技术最合理的原则，对产生的干扰水平抗、干扰水平及抑制措施做 出规定，使处于同一电磁环境的设备兼容。而电能质量问题基本上属于e m c 中 的传导低频现象。e m c 的基本任务是协调干扰发射者和接受者之间的关系，使其 兼容，协调方法是制定合理的规定值。1 9 9 2 年7 月，欧洲电工标准化委员会发布 公用配电系统的供电特性草案。该草案在广泛吸收i e c 标准的基础上，对中低压 配电系统用户供电端的电能质量做出了全面规定：包括频率、电压( 电压偏差、 电压波动和闪变、短时和长期停电、暂态工频过电压、瞬时过电压) 、电压不平衡、 电压波形及电源的信号电压等。1 9 9 3 1 9 9 5 年，美国电力科学研究院( e p ) ，在 全国范围内进行了大规模的电能质量普查，得到了大量的电能质量数据。1 9 9 6 年， 由欧共体率先将电气产品的电磁兼容性要求纳入国家技术法规的范畴，其中就包 括电能质量标准。 理论方面积极开展电能质量指标的评价体系研究。如何评价电能质量好坏， 5 风电场电能质量监测系统 通常使用的几种定量评价电能质量的指标如总谐波畸变率f i r m ) 、功率因数等。 但当波形为非周期信号、频率为分数次谐波频率时，上述评价指标就有不协调的 问题。这涉及到如何处理畸变、不平衡现象的功率定义问题，这方面国外己做了 大里的研究，并给出了一些建议，但至今尚未取得一致意见。 为了保证我国的电能质量，自1 9 9 0 年以来，我国相继发布了五项电能质量国 家标准：分别为g b l 2 3 2 5 9 0 供电电压允许偏差、g b t 1 4 5 4 9 9 3 共用电网 谐波、g b 厂r 1 5 5 4 3 - - 1 9 9 5 三相电压允许不平衡度、g b t 1 5 9 4 5 1 9 9 5 电力 系统频率允许偏差以及最近对1 9 9 0 版修订颁布的g b l 2 3 2 6 - - 2 0 0 0 电压波动 和闪变。均为针对供电系统稳定态性能方面的要求而制定。以上电能质量标准分 别从发电、供电、用电端对电能质量提出了要求，这些标准的发布无疑为提高我 国的电能质量水平起到了促进作用【5 】【6 jl t l 引。 常用的是基于变换的方法，针对电能质量信号的特点又可分为稳态信号分析 方法和暂态信号分析方法两大类。 1 ) 稳态信号分析方法 傅里叶变换是信号处理的数学工具，并且具有明确的物理意义，即信号的傅 里叶变换表示信号的频谱。正是傅里叶变换的重要物理意义，决定了傅里叶变换 在信号分析中的独特地位，特别是作为平稳信号分析的最重要的工具。因此，稳 态电能质量信号处理采用了基于离散傅里叶变换的方法。 2 ) 暂态信号分析方法 分析和处理暂态信号，传统的分析方法一傅里叶分析显得力不从心。这是因为 利用傅里叶变换分析时，会把能够放映故障特征的局部信号在整个频域内平滑掉， 从而丢失了用于分析故障的有用信息，导致产生较大误差。小波分析具有良好的 时频局部性，采用不同尺度，在不同宽度的时间窗进行分析，特别适合对奇异信 号进行处理。小波分析方法在低频部分具有较低的时间分辨率和较高的频率分辨 率，具有对信号的自适应性；它是一种多尺度分析，对时间序列过程从粗到细加 以分析，即显得过程变化的全貌，又剖析局部变化特征；由于小波函数本身衰减 很快，也属一种暂态波形，将其用于电能质量分析领域，尤其是暂态过程分析领 域，具有h 仉s 耵叮所无法比拟的优点。所以，将小波变换方法应用于电能质量 分析解决了傅里叶变换不能解决的许多难题。 如今电能质量的基础理论研究的趋势，包括统一的畸变波形下电能质量的含 义，电能质量的界定方法、评价体系的研究，各功率成分的定义及物理意义研究 等。目前为适应不同需要提出了许多功率成分的定义方法，在其数学表达式、物 理意义及实施方面各有长。对电能质量的分析也提出了不少方法，目前所采用的 电能质量分析方法有三种【9 j ： 6 硕士学位论文 1 时域仿真法 该方法在电能质量分析中的应用最为广泛，其主要用途是利用各种时域仿真 程序对电能质量问题中的各种暂态现象进行研究。目前通用的时域仿真程序主要 有e m t p 、n e t o m a c 、b p a 等系统暂态仿真程序和s p i c e 、p s p i c e 、m a t l a b 等电力电 子仿真程序。 2 频域分析法 该方法主要用于电能质量中谐波问题的分析，包括频率扫描、谐波潮流计算 等。考虑到一些非线性负载的动态特性，今年来又提出一种混合谐波潮流的计算 方法，即在常规的谐波潮流计算基础上，利用e m t p 等时域仿真程序对非线性负载 进行仿真计算，可求出各次谐波电流矢量，从而得到谐波潮流。 3 变换分析法 这里主要指f o u r i e r 变换方法、短时f o u r i e r 变换方法和w a v e l e tt r a n s f o r m 小波 变换方法。这些方法广泛地运用在电能质量稳态和暂态计算分析当中。 1 4电能质量检测装置 早期、初期、中期和近期四个阶段。早期和中期的电测量技术主要是以模拟 量测量为主。2 0 世纪5 0 年代，数字电子技术和微电子技术的引入，促进了电测量 及其仪表技术的发展，模拟式电测仪表逐渐在越来越多的场合被数字式仪表所代 替。1 9 7 4 年出现的电压、电流波形等间隔采样技术，使数字电子技术在测量领域 中作用日益增大，成为电测与仪表技术步入中期发展阶段的重要标志。在这一阶 段，以微型计算机、独立操作系统、各种标准总线式结构为特征，可相互通讯、 可扩展式仪器和自动测试系统以及相应的测量技术得到了蓬勃发展，并逐渐走向 成熟。2 0 世纪8 0 年代以来，电测与仪表技术进入了迅猛发展的近期阶段。大规模 集成电路技术的发展使得芯片体积缩d , n 可以置入传统仪器内部，使仪器具有控 制、存储、运算、逻辑判断及自动操作等智能化特点。并在测量准确度、灵敏度、 可靠性、自动化程度及解决测量问题的广度和深度等方面均有了明显的进步【l o l 。 美国f l u k e 公司生产的f 4 3 手持型电能质量分析仪。它能测量电流、电压、 功率因素等电能常规指标，还能测量电力系统的各次谐波，并能捕捉瞬变电压和 波形失真，并配有r s 2 3 2 接口与计算机通信，可将测量数据传给计算机作进一步 的分析。它携带方便，但它的测量精度不高，因此只能应用于一般的检测分析中， 或作为对各种状况判断的参考和发现问题的手段，而不能作为计量和判断问题的 依据【1 1 1 。 针对各种电能质量问题，国外已经开发生产了比较成熟的检测分析仪器，如 美国的f l u k e ( 福禄克) 公司、瑞士的l e m ( 莱姆) 公司、瑞典的u n i p o w e r 公司和日本 7 风电场电能质量监测系统 的日立公司等都开发研制了一些具有高集成度、高可靠性、智能化和网络化的电 能质量监测仪器这些装置具有检测精度高、检测指标多、功能丰富等特点，而且 既可对电能质量参数进行在线实时测量，也可对这些参数按天、按月进行累计分 析，还具备谐波分析功能1 1 2 j 。 国p b u n i l y z e r9 0 0 f 便携式电能质量分析仪为代表，它的技术水平较高，实用 性强。它最大的特点：高精度、多功能、体积小、重量轻、携带方便、操作简单； 可判断谐波流向，便于查找谐波源：可将测量计算后的数据通过以太网、m o d e m 等多种方式传回控制中心，进行数据管理。但是该装置价格昂贵，使得在国内很 难推广。 国内致力于电能质量产品研究的企业还不多。安徽振兴电子公司的p s 系列电 能质量分析仪；上海宝钢安大电能质量有限公司p q l l 6 便携式电能质量分析仪、 p q l 0 2 电力谐波分析仪、p q l 0 6 电能质量远程监测仪、p q l 3 2 电力设备状态监测系 统等已成功的在冶金及电力系统中得以应用。总体来看，目前国内广泛采用统计 型电压表监测电压质量水平，这些电压监测仪只能监测电压合格率、缺乏统计分 析功能；而谐波和电压波动、闪变的测量则用便携式测量仪器，分别对变电所的 各级母线电压、主变压器各侧的谐波电流、电容器组的谐波电流进行测量、对大、 中型非线性负荷用户和电厂以及低压配电网电流进行测量，然后根据测量数据进 行汇总、统计分析，对电网的电能质量水平进行评估。这种电能质量监测手段和 管理模式存在着实时性差、测量指标少、工作量大、测量误差大、效率低等明显 的局限性l 玎1 。 1 5课题主要研究内容及章节安排 为了满足电能质量监测的实时性、高速性和连续性，本文选用高速数字信号 处理器( d s p ) 和a r m 处理器双c p u 结构实现了采样和数据分析同步进行，达到了 同步不间断的监测电能质量的目的，并采用以太网通讯方式与远方控制中心通信， 使分析的数据结果快速、可靠地传送到上位机。 论文的总体设计是数字信号处理器( d s p ) 采用1 i 公司一款高性价比的2 0 0 0 系列d s p 处理器t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 ，a r m 采用s 3 c 2 4 1 0 是s a m s u n g 公司推出的1 6 3 2 位r i s c 处理器，采用以太网通信方式，设计一个实时的、能够和远方控制分析中 心远距离高速通信的电能质量检测装置。 本文的主要内容如下： 【1 】第二章介绍电能质量信号分析的理论基础和原理，包括傅里叶变换、小 波变换，多分辨率分析( m r a ) 并比较小波变换和傅里叶变换的优缺点。为本文 选择电能质量算法提供参考依据。 8 硕士学位论文 【2 】第三章根据风电场电能质量监测系统的特点，现场监测采样频率、精度 以及监测系统通信的要求，利用d s p 和a r m 设计一种双c p u 的电能质量监测系 统，其中d s p 完成数据数理分析，a r m 完成数据存储，并通过以太网与上位机通 信，并完成电能质量监测系统采样模块、d s p 模块、a r m 模块及d s p 和y r a g 接口 等其他硬件的设计。 【3 】第四章在硬件设计的基础上，进行电能质量监测系统的软件设计。包括 了d s p 和a r m 主线程的设计、系统采样程序设计、数据处理程序设计，d s p ，a r m 接口程序设计。并仿真小波消噪、暂态振荡、暂态脉冲变化及暂态电压变化包括 暂态电压上升、下降、中断、畸变以反映算法的可行性、正确性。 9 风电场电能质量监测系统 第二章电能质量信号分析的理论基础 电能质量分析方法要能准确，快速发现电能质量问题。电能质量分析方法有 时域、频域和基于变换方法3 种类型，常用的是基于变换的方法。针对电能质量 信号的特点，主要分为稳态信号分析方法和暂态信号分析方法两类。 2 1傅里叶变换 傅里叶变换将信号从时域变换到频域，用它可以分析信号能量在各个频率成 分中的分布情况。连续信号厂( f ) r ( r ) 的傅里叶变换定义为： f o e ) 一c 巾) e - m d t ( 2 1 ) 傅里叶变换的实质是将原始信号分解为一组正交三角函数的加权组合。它能 较好地刻画信号的频域特性，它具有正交、完备的优点，放映某个频率成分包含 在信号中的总强度，但不能提供有关频率成分的时间局部化信息。从公式中可以 看出，傅里叶变换的积分域是整个时间轴，致使它所得到的频谱只能反映信号在 整个时间范围内的频率分布，而无法给出局部信号的频率特性，因此傅里叶变换 的时间局部性很差；此外，使用傅里叶变换时应满足采样定理和随时间周期变化 的稳态信号的要求。当采样频率或信号不满足要求时，利用傅里叶分析会产生“旁 瓣或“频谱泄露 现象，给分析带来频谱混叠和泄露误差。 d f t 是信号分析和处理中的一种重要变换。因直接计算d f t 的计算量和变 换区间长度n 的平方成正比，当n 较大时，计算量太大，所以在快速傅里叶变换 ( 简称h 可) 出现以前，直接用d f t 算法进行谱分析和信号的实时处理时不切实 际的。自从1 9 6 5 年图基( j w t u k y ) 和苦力( t w c o o d y ) 在计算机数学杂 志上发表了著名的( 机器计算傅里叶级数的一种算法) 论文后，( g s a n d ) 图基等 快速算法相继出现，又经人们改进，形成了现在的快速傅里叶变换，简称f f t 。 由于数字信号处理的精度高、稳定性好等优点，离散傅里叶变换已在现代频 谱分析和谐波分析的广泛应用。在电能质量分析领域，常常利用离散傅里叶变换 ( d f t ) 和快速傅里叶变换( n 丌) 对非正弦周期信号的时间连续信号用采样装置 进行等间隔采样，把采样值依次转换成数字序列，然后借助计算机进行谐波分析。 目前，各种算法的d f t 和f f t 已经成为现代频谱分析和谐波分析的基础，这些 改进的算法大大提高了f f r - h - 法的计算精度和速度。离散信号x ( n ) 的傅里叶变换 定义为： 1 0 硕士学位论文 x = 罗砌弘一7 似m 一罗m 恻妨眦一歹s i n ( 幼彬) 一罗砌孵( 2 2 ) 箭箭捌 ；塑 式中- e 一，n 称为d f t 变换区间长度。 在实际应用中，要求信号在时域和频域应该是离散的，而且都是有限长的。 f f t 是快速傅里叶变换，这种算法使d v f d 的运算效率提高，为数字信号处理技 术应用于各种实时处理创造了良好的条件，大大的推动了数字信号处理技术的发 展，一些改进的算法提高了f f r 算法的计算精度和速度。虽然傅里叶变换能够将 信号的时域特征和频域特征联系起来，分别从信号的时域和频域观察，但却不能 把二者有机地结合起来。傅里叶变换只能适用于确定性的平稳信号( 如谐波) ，对时 变非平稳信号却难以充分描述。这是因为傅氏变换是在整个时域内积分，因而去 掉了非平稳信号中的时变信息。同时，傅里叶分析在时域的分辨率是不变的，因 而不足以在任意小的范围内描述或确定频率为了分析电能质量领域的突变信号和 非平稳信号，必须寻求新的信号处理工具，要求它既能保持傅里叶分析的优点，又 能弥补其不足。 2 2 小波变换 小波变换m ，d 是由m o r l e t 于1 9 8 0 年在进行地震数据分析工作时创造的。小 波就是最短最简单的振动。小波分析方法是一种窗口大小( 即窗口面积) 固定但其 形状可改变的时频局部化分析方法。它在低频部分具有较高的频率分辨率和较低 的时间分辨率，而在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，所以 被誉为“数学显微镜 。正是这种特性，使小波变换具有对信号的自适应性。小 波变换是一种多尺度分析，对时间序列过程从粗到细加以分析( 从低分辨率到高 分辨率) ，既显示过程变化的全貌，又剖析局部变化特征。对于电能质量领域的非 平稳时间序列，小波变换大有用武之地。近年来，国外许多学者都利用小波变换对 电能质量问题进行研究。 常见的小波基函数有：b 小波、d a u b e c h i e s d 、波、h a a r 小波、m e y e r 小波和 m o r l e t d 、波等。s h y h - j i e rh u a n g 等人提出了用m o d e t j 、波监视电力系统扰动的方 法。仿真结果表明，该方法能够检测电压骤降、骤升、短时断电和振荡暂态等扰 动，同时也能对电弧炉产生的动态谐波进行分析。今后要做的工作应该是找出最适 合电能质量分析的小波基函数。 1 9 8 8 年m a l l a t 在b u n 和a d e l s o n 图象分解和重构的塔式算法启发下，基于多分 辨率分析( m r a ) 框架，建立了小波快速算法m a l l a t 算法，它在小波分析中的 地位相当于f f f 在经典傅里叶分析中的地位。目前，这种m r a 方法仍是电能质量 风电场电能质量监测系统 分析领域中使用最多的算法。m r a 方法的一个特性是能够准确地检测到电压信 号中尖锐变化的发生时刻( 如电压骤降、断电、过电压和暂态) 。但是m r a 方法也 有其不足之处，它不能对基波信号的幅值进行直接可靠的测量，也无法准确地估 计原始信号的谐波分量幅值。m r a 方法的另一个特色是可以区